臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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本論文使用氣態源分子束磊晶系統於砷化鎵基板上成長各種不同基板溫度及成分的銻砷化鎵/砷化鎵多層量子井結構。由X-ray的量測結果中，發現銻原子在量子井中的成分會受到砷原子的影響，顯示了銻與砷不同的嵌入行為。成長的量子井皆具有良好的光激螢光強度，且放光波長可達到1.327μm（0.934eV），證實了其應用在1.3μm 波段的可行性，並於光激螢光譜的分析中，看到銻砷化鎵/砷化鎵異質結構其第二型量子井之藍位移現象。 為幫助實驗者預測磊晶成長的成分結果，應用熱動態學理論，提出一個成長模型，並探討其與實驗值的適用性。而後為了更準確的描述成長過程，並加入五族元素的逸出效應，首先將動力學理論與熱動態學理論作結合，以得到一個合理的磊晶成長模型。 對利用兩個理論所結合的磊晶成長模型，探討其模擬曲線，可發現五族元素因彼此間的競爭力不同而會有相異的鍵結行為，使得五族元素的成分變化不同。而模型中唯一的未知參數，也可發現其與基板溫度間的線性關係，此性質有助於未知參數數值的訂定。
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近年來，隨著人們依賴通訊系統的程度提高，使得通訊速度以及製作成本成為很重要的課題。所以，我們期待多頻操作來增進通訊效率，以及多頻整合的硬體來降低製作成本。然而，目前金氧半場效電晶體的特性，依然受制於許多製程上先天的缺陷，像是寄生效應。因此，金氧半導體電路設計，仍是一深具挑戰的研究課題。 本篇論文，為達到多頻操作，及節省面積的目的，提出了一系列創新的電路架構。在第三章中，利用共用電感的概念，提出一個節省面積的雙頻傳送/接收開關。在第四章中，藉由切換匹配方法的技巧，可使雙頻低雜訊放大器在節省面積的情況下，雜訊指數獲得改善。
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對稱條件（symmetry constraint）與規律結構（regular structure）是類比佈局設計師在擺置元件時的兩大考量。對稱條件即是將兩個匹配元件matched modules）擺置於一個對稱軸兩端的相對位置以消減負面的電子效應。有經驗的類比擺置設計師亦常將元件擺置成規律結構以提昇電路的可繞性（routability）及減少多餘的繞線轉彎（wire bend）和穿孔代價（via cost）。為了同時考慮對稱條件與規律性，本論文提出異質階層式二元樹（heterogeneous B*-tree）擺置表現形式以及其對應的變換方式與優略衡量標準。實驗結果顯示我們提出的方法能有效地產生具高度規律性的擺置結果並且符合給定的條件。舉例而言，相較於文獻中最新的類比擺置工具，我們的方法使運作效能提升至18 倍，減少28%的面積，以及降低68%的繞線線長。擺置結果在經由全域繞線器繞線所獲得的結果也比過去的方法減少60%溢出量（overflow），減低39%穿孔，並且縮短的86%的繞線線長。
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利用量子井紅外線偵測器所製成的大型焦平面陣列熱影像系統已經展現出許多可應用 在軍事、醫藥與民生方面的可能性。然而，操作在高溫下的量子井紅外線偵測器有一個缺點，就是相當高的暗電流，並且此缺點會使得其在製作熱影像系統時受到限制。在本論文中，我們的目標就是設計出一個具有較低暗電流與較高光電流，且適合在高溫下操作的紅外線偵測器。 我們設計了雙能障超晶格紅外線偵測器結構並分析其暗電流機制。如果我們將元件操作在較低的偏壓環境時，可以有效地降低其所產生的電流值。因為超晶格具備適合低偏壓操作的特性，故我們選擇超晶格結構做為我們偵測器中的主要作用結構。為了瞭解如何將暗電流有效抑制使之更適合在高溫下操作，我們歸納出三種主要的暗電流機制，其中正偏壓時暗電流會急速上升而低偏壓時則不會有此現象，我們也以這些機制為基礎建立解決方案，即將原本沉積在底部射極金屬接觸層改成沉積在超晶格上改善了暗電流過大的問題，而實驗結果也證明有效抑制了暗電流。雖然超晶格結構適合操作在低偏壓下，但超晶格的光電流相較之下還是比量子井結構的要低。為了增加超晶格結構的光電流，我們採用了一個雙電流阻擋層的超晶格紅外線偵測器，其結構為超晶格結構夾在兩個不同厚度的電流阻擋層中。鄰近集極的薄電流阻擋層是為了讓電子以彈道傳導經過，因而減少受到散射的機率。而厚電流阻擋層則是為了阻擋一些向後傳遞的電子，因而增加光響應的強度。從實驗結果中，我們發現此元件的光響應的確有增加，所以增加此一厚電流阻擋層的確有助於增加超晶格紅外線偵測器的光響應強度，特別是在低偏壓操作下 (0.17V )，且在100 K時達到1.1×109 cm Hz1/2/W 之偵測率。而我們更進一步分析了光電子在第二能帶的增強穿透現象，在低偏壓時因為光電子的增強穿透現象使得整體的光響應有效提升。 依據上面結果，我們最後設計出一個將十五週期的超晶格結構與三十週期的量子井結構相結合在輔以雙能障的概念之紅外線偵測器結構，來驗證它在高溫操作下的光響應。在此結構中，量子井結構主要是用來降低雜訊電流功率與增加響應的偵測波段。 我們發現超晶格所產生的光電流並沒有因為量子井結構而降低，但暗電流卻減少。因此，由於暗電流與雜訊增益都降低，最大值的偵測度可以在負低偏壓時出現。此外此元件即使操作在110 K溫度下也依然可以觀察到光響應。與先前的單一電流阻擋層的超晶格紅外線偵測器相比，此結構有較高的光電流與較低的暗電流，並且很適合操作在低偏壓與高溫的環境下。 根據前面的研究結果，超晶格被包含在兩厚能位障的週期結構，此紅外線超晶格與量子井集合的偵測器其光響應範圍橫跨7~16 μm，並有電壓調變光響應的特性。此元件受摻雜遷移影響而有內建電場存在，所以可以操作在光致電壓模式。極低偏壓下，內建電場將主導整個能帶。開路響應有兩個波峰，此兩個波峰所對應的電子能態運動方向相反，因此在低偏壓下，施加同樣強度但不同極性之電場，有大小相異的響應。我們提出受內建電場影響的能帶圖，理論計算後得到相對應的兩個能態，及其能態運動相反的原因。 最後若將我們將週期性金屬結構做在元件的表面以利吸收正向入射的紅外光，此元件應該是製作適合高溫操作下的熱影像系統之單一影像細胞很好的選擇。
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近年來，利用非晶相銦鎵鋅氧化物(α-IGZO)做為薄膜電晶體(TFT)通道材料於Active Matrix Organic Light Emitting Diode (AMOLED)已經成為研究的趨勢。相較於傳統的非晶矽薄膜電晶體(α-Si TFTs)，α-IGZO有高的開/關比(on/off ratio) > 108和電子遷移率(Carrier Mobility) > 10 cm2/V-s。在製程上，可以在室溫中利用RF-sputter沉積通道材料α-IGZO並且可以有效的控制薄膜的均勻性。因此， α-IGZO 是下一代薄膜電晶體很好的通代材料。 在α-IGZO薄膜特性上，會隨著不同的成長環境以及退火處理有所差別。我們可以利用波長為325nm 的氦鎘雷射運用在 PL量測(Photoluminescence measurement)來分析α-IGZO薄膜能帶中的缺陷分布。從研究結果得知，α-IGZO薄膜 (厚度為100nm)的PL特性，接近450nm(~2.78eV)波段定義為能帶邊緣間的放射 (Band to Impurity) 。另外，伴隨著在850nm(~1.45eV)波段的地方則是缺陷到缺陷DAP (Donor to Acceptor Pairs)。低溫量測時，波段在575nm(~2.15eV)則會更明顯。利用不同退火溫度或不同退火氣體的條件下對α-IGZO薄膜的影響，並且運用PL量測來判斷DOS的變化。 對於元件穩定度測試，探討由於偏壓應力施加導致元件失真的原因以及物理機制。我們將對元件做一系列的量測分析，例如：電性分析、偏壓應力分析等等。然而，元件的可靠度測試以及物理特性分析就變得特別重要，對於N型α-IGZO TFTs而言，我們將會對於元件NBTI以及PBTI做基本的測試，並探討元件電性衰減的物理機制。對於下列量測方式與結果的分析對於元件的穩定度非常重要。然而，在先前已發表的文獻中已提出幾項原因以及模型理論，例如：電荷被氧化層捕捉、能帶間產生新的缺陷分布等等，解釋偏壓應力產生的臨界電壓偏移、汲極電流、電子遷移率次臨界斜率的衰退。在我們的研究上，將對於α-IGZO薄膜電晶體正偏壓和負偏壓的穩定度測試做詳細的量測以及分析。對於施加偏壓應力後的元件做變溫的量測技術，可以利用M-N法則(M-N Rule)的理論計算萃取出能帶中的缺陷分布以及數目。然而，利此方法所計算出來的缺陷分布，代入2-D的模擬分析此元件的特性以及物理意義。
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在隔離型電源轉換器中，返馳式轉換器由於具有電路架構簡單、低成本和較少的元件數目之特性，因此廣泛地使用在低功率電子產品上。然而在傳統架構中，當待機時二次側的控制晶片會使光耦合器上流過一大電流，來維持輸出的穩定。然而直觀上來說，待機時的功率消耗應該是最低的，因此透過將系統回授電路的相位反轉180度，藉此來降低電流量，達到有效的減少待機功率損耗，且保有原先二次側控制晶片內的定電壓定電流輸出的控制。 透過參考市面上晶片的參數，經由計算將新系統參數調整與其相當，最後再經過模擬來證明實際減少待機損耗。
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本論文的研究著重於六百億赫茲短距離傳輸與被動式毫米波影像的應用，兩者皆需要將毫米波電路的高頻效應融入於設計中，並透過電磁模擬去觀察是否達到預期的設計目標，因此本論文將對於COMOS電路在高頻應用中參數的設計與選取做討論，並且將應用在高頻的被動元件的設計考量融入整體的討論中。 V-band低雜訊主動差動訊號匹配器的設計結合了低雜訊放大器與平衡非平衡匹配器，進而可以在接收機前端將單一相位的訊號轉換成差動訊號，使系統在線性度與雜訊上有較好的表現，所提出的電路運用電路架構去修正平衡非平衡匹配器在高頻所產生的相位誤差，進而提供一個較不受製程變異與模擬誤差影響的電路。此電路的量測到的頻寬為60.4-66.6 GHz，頻寬內所量測到的最大電壓增益為17.6 dB與16 dB (63 GHz)，頻寬內的相位誤差皆小於6.8度而增益誤差皆小於1.7 dB，最低雜訊指數(noise figure)為8.6 dB (63 GHz), 整體電路消耗19 mW的功率，晶片的核心面積為0.275 mm2. W-band功率偵測器的運作是將75 GHz至110 GHz的高頻訊號接收至電路中並且將所收到的功率大小表現在輸出的直流電壓變化上，本次設計的晶片將電晶體操作在線性區以達成降低等效雜訊功率的目標。本次晶片所量測到的S11在75 GHz至110 GHz內皆達到小於-10 dB的要求，功率大小轉換至直流變化的能力由responsivity表示，所量測到的responsivity為1.77 kV/W, 量測到的等效雜訊功率(NEP)約為17 pW/(Hz)^0.5,電路消耗的總功率為0.18 mW而晶片面積為0.163 mm2。
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隨著IC製程的快速演進，在相同的單位晶圓面積下，電晶體密度急遽地增加。相較於以往的產品，系統晶片(System-on-Chip)能夠整合更多樣的元件與更複雜的設計，以提供更豐富的功能與更強大的效能。面對此一高度集成之設計趨勢，晶片內元件間的連接架構也同時面臨著在軟硬體設計上更嚴苛的挑戰。在可預見的未來，傳統晶片所採用的匯流排(On-Chip Bus)架構，無論在功率消耗、性能要求、以及擴充彈性上，都即將難以滿足多核心(Many-Core)系統晶片內部元件間，因大量通訊所產生的複雜通訊需求。近年來，一種基於封包交換技術而實現的網路晶片(Network-on-Chip, NoC)傳輸架構逐漸地受到各研究單位與產業界的高度重視，然而其關鍵技術卻仍未瑧成熟。據此，本文提出一個新型的網路晶片路由器(NoC Router, NoCR)，其設計支援具流量感知能力之傳輸管理機制、高彈性選擇路徑之網路路由方法、與具雙向傳輸通道之容錯資料鏈結等功能，可分別相對於國際標準化組織（ISO）所定義之傳輸層、網路層、與資料鏈結層等功能。目前NoCR相容於Altera NIOS2 CPU，其功能並已通過FPGA系統板上的軟硬體協同驗證。實驗結果包含效能模擬與成本分析都明確地指出，相較於目前已知的設計方法，NoCR能更有效地增加傳輸效能，並提高運作可靠度；然而其實現成本包含晶片面積、功率消耗、與時序延遲卻都極其有限。最後希望本論文能對網路晶片的發展有所貢獻。
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隨著 CMOS 製程技術的發展和尺寸減小，在不同的應用像高效能類比數位轉換器、有線傳輸、光纖資料傳輸和無線射頻等都需要一個穩定低雜訊的時脈。所以本篇論文將介紹低雜訊鎖相迴路的設計與實作。然而在傳統鎖相回路架構上，雜訊性能沒辦法有卓越的改進。並且充電泵的電流不匹配也造成顯著的靜態相位誤差而造成輸出的時脈抖動。此外由於輸入時脈雜訊造成輸出的時脈誤差放大也降低了系統的效能。本論文中，所推薦的架構之設計考量與實現將被提出。 首先，使用 0.18-μm CMOS 製程的低雜訊鎖相回路架構被提出。此架構基於次取樣鎖相回路以確保有相當程度的雜訊表現。而且因為使用分散式相位偵測器/電流汞降低控制路徑上的由相位偵測器/電流汞電流不匹配所產生的漣波以達到時脈抖動抑制的效果。此外 藉由使用脈衝位置調變(PPM)技術可以更進一步消除周期性的漣波。
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本篇論文針對適用於返馳式轉換器的一次側偵測輸出電壓技術做分析與設計。傳統上，返馳式轉換器使用誤差放大器與光耦合器等額外元件來實現二次側電壓回授，但由於轉換器的輸出電壓資訊同時也會反映於輔助繞阻上，因此我們得以藉由觀察輔助繞組間接獲得所需之電壓資訊，取代二次側回授。採取一次側偵測技術能夠大幅降低返馳式轉換器之成本及待機功率。然而，如何精確地擷取輔助繞組上的電壓是一大挑戰。本文提出了一種方法，利用不同情況下電壓波型斜率明顯不同的特性，來判斷適當的取樣時機，進而對輸出電壓做取樣。模擬結果顯示，此電路能夠達到足夠高的準確度，最後，經由實作出晶片實驗驗證電路功能符合需求。